龚庄子进水闸金属结构安全检测及评估

刘明杰 苗圃 刘伯宇 王伟臣 杨若雪

摘  要：水闸的金属结构安全会影响水闸的运行安全。京密引水渠龚庄子进水闸已投入运行六十余年，其金属结构必然会产生一定程度的锈蚀和变形等病害。为了确保龚庄子进水闸的安全运行，需要掌握其金属结构存在的不足从而做出应对措施。该研究使用了多种技术方法对龚庄子进水闸的金属结构进行检测，然后综合检测结果，评估了金属结构的安全状况，为水闸的安全运行及管理提供技术依据。

关键词：龚庄子进水闸  金属结构  安全检测  安全评估

中图分类号：  TV7            文献标识码： A

Safety Testing and Evaluation of Metal Structure of the Gongzhuangzi Intake Sluice

LIU Mingjie  MIAO Pu  LIU Boyu  WANG Weichen  YANG Ruoxue

（Beijing Jingmi Water Diversion Management Office， Beijing，101400 China）

Abstract： The safety of metal structure of the sluice will affect the safe operation of the sluice. The Gongzhuangzi intake sluice of Jingmi Aqueduct has been running for more than 60 years， and its metal structure inevitably exists a certain degree of corrosion， deformation and other diseases. In order to ensure the safe operation of the Gongzhuangzi intake sluice， it is necessary to grasp the shortcomings of its metal structure and take corresponding measures. This study uses a variety of technical methods to detect metal structure of the Gongzhuangzi intake sluice， an then synthesizes detection results to evaluate the safety status of metal structure， so as to provide technical basis for the safe operation and management of the sluice.

Key Words： Gongzhuangzi intake sluice; Metal structure; Safety testing; Safety evaluation

龔庄子进水闸位于京密引水渠首，1961年建成。龚庄子进水闸共2孔，每孔设有宽2.5 m，高4 m的平板钢闸门，设计流量为70 m³/s。闸室基础为岩石基础，闸室底板高程86.00 m。机架桥上设有单层启闭机机房，机房内布置有2台螺杆式启闭机，无远程控制系统，启闭机具备手摇操作启闭功能。龚庄子进水闸工程主要担任龚庄子水库与京密引水渠之间调节水位、控制流量的任务，自投入运行至今，已发挥出了重要作用。由于运行时间较长，其金属结构难免会产生问题与缺陷。为确保龚庄子进水闸持续安全运行，依据现行规范[1]，开展了金属结构安全检测。

1  检测内容和方法

（1）闸门外观检测：主要对象包括闸门主体以及闸门各构件。

（2）闸门腐蚀量检测：采用超声波测厚仪进行测量，操作效率高，结果精准[2][3]。利用相机等工具对锈蚀程度严重的部位做好记录。

（3）闸门材料检测：采用综合分析法[4]。在不影响设备正常安全运行的情况下，取少量试样进行试验，分析材料的化学成分，同时通过检测材料硬度来确定材料的抗拉强度，结合两项检测结果进行分析，从而判定材料的牌号。

（4）焊缝无损探伤：使用LG600型探伤仪对设备的主要受力焊缝内部质量进行超声波检测，分析检测结果，鉴定焊缝内部是否存在超标缺陷。

（5）闸门结构复核计算：按第4强度理论对工作闸门进行强度、刚度校核，使用三维CAD软件完成分析目标的几何模型构建，利用有限元法进行复核计算。

（6）启闭机启闭力检测：采用动态信号测试系统进行闸门启闭力检测，判断是否满足启闭机额定荷载的要求。

（7）启闭机运行状况检测：检测启闭机结构是否完整，以及主要零部件有无缺陷。

2  检测结果

2.1  闸门外观检测

闸门外观检测主要检查闸门门体及其构件是否产生妨碍闸门安全运行的问题。现场检测结果显示：目前龚庄子进水闸闸门结构完整，门体及主要构件未见变形、损伤等异常状况，门槽及附近混凝土未见明显空蚀、淘空等现象；闸门启闭过程中运行平稳未见异常；闸门防腐涂层基本完整有效。目前闸门主要构件存在整体轻微腐蚀现象，其中闸门主梁腹板腐蚀较重，有密集成片的蚀坑。

2.2  闸门腐蚀量检测

腐蚀量检测对象为1#工作闸门主要构件。检测发现：主梁腹板严重锈蚀，最大蚀坑深度2.0～3.0 mm，蚀坑密集成片已无法计数；边梁腹板严重锈蚀，最大蚀坑深度1.0 mm， 300 mm×300 mm范围内的蚀坑数量小于30；主梁构件已有一定程度的削弱。检测结果列于表1。

2.3  闸门材料检测

由于历史的原因，无法从竣工资料中获取龚庄子进水闸工作闸门的材料牌号，因此需要通过材料检测来分析材料的化学成分，鉴别材料牌号。选取1#工作闸门左侧纵梁腹板进行取样。取得试样后，先清理试样表面，去除污垢、附着物、锈蚀等影响化验结果的杂物，然后进行化验，化学成分测试结果列于表2。

根据表2所列数据可知：闸门左侧纵梁腹板的化学成分与碳素结构钢Q235B完全符合。可以确定，闸门主要构件所使用的材料为碳素结构钢Q235B。

2.4  闸门焊缝无损探伤

超声波探伤为抽检项目，不同类型焊缝的抽检比例应不得少于规程规定的抽检比例。以龚庄子进水闸1#工作闸门为检测对象。检测部位：主梁腹板与边梁腹板组合焊缝，面板对接焊缝。焊缝超声波探伤结果表明：闸门所有受检焊缝均未发现有超标缺陷及裂纹缺陷存在。典型工作闸门焊缝超声波探伤结果图3所示。

2.5  闸门安全复核计算

闸门复核计算按第4强度理论对工作闸门进行强度、刚度校核，采用有限元法，使用三维CAD软件完成分析目标的几何模型构建。以1#工作闸门为复核对象，闸门形式为潜孔式平面定轮闸门，孔口尺寸（宽×高）为2.5 m×4.0 m，设计水头7 m，闸门自重4 000 kg，闸门结构材料为A3钢。龚庄子进水闸1#工作闸门复核计算结果见表3，等效应力云图及水流下游方向位移云图分别如图4、图5所示。

龚庄子进水闸工作闸门核计算结果表明：主要构件结构强度、结构刚度的安全裕度较大，闸门结构是安全的。因主梁腹板存在多处较深蚀坑，构件强度降低，其应力富裕度小于50%，建议对其加强观测。进水闸工作闸门计算的启门力小于闸门起升设备的额定容量，能够依靠闸门自重闭门，因闸门启闭机为螺杆式启闭机，不存在无法闭门的情况，龚庄子进水闸工作闸门运行是安全的[5-6]。

2.6  启闭力检测

启闭力检测对象為1#工作闸门。检测工况如下：闸门前实时水位6.7 m，闸门后无水，闸门在全闭状态下布置应变片并连接动态信号测试系统发送端，测试时闸门由全闭提升250 mm后回落至闭门，整个过程中由动态信号测试系统记录应变（应力）的变化值。

检测结果如图6所示：测点在启门状态下，测试数据最大值11.73 MPa，经计算得螺杆启闭机最大启门力为74.6 kN。因此，在实测水位（6.7 m）下，闸门实测最大启门力（74.6 kN），小于启闭机的额定容量（100 kN），满足启门要求，且闸门能依靠自重关闭。

2.7  启闭机安全检测

现场检测结果表明，启闭机结构完整，主要零部件未见损伤、变形等影响启闭机安全运行的缺陷，闸门启闭过程中，启闭机运行平稳未见异常。经现场检测运行，启闭机运行状况总体良好。

但启闭设备仍存在一些问题：如图7所示，1#及2#螺杆启闭机机箱无润滑油液面观察窗，建议增设；如图8所示，1#及2#螺杆启闭机控制面板上无急停按钮，建议增设；1#螺杆启闭机下限位设置不正确，闸门闭门至下限位停机时，闸门仍未完全关闭，需要人工操作才可完全闭门，建议对下限位重新设置[7-10]。

3  结语

采用多种技术方法对龚庄子进水闸金属结构进行了综合检测以及相关的复核计算，结果显示：闸门结构完整，腐蚀情况较为严重；闸门主要构件成分为碳素结构钢Q235B；闸门主要焊缝内部质量超声波无损探伤抽检合格；启闭机容量可以保证闸门正常启闭；启闭机结构完整，运行平稳。依据相关的规范，结合对闸门金属结构安全检测成果的分析，认为龚庄子进水闸工作闸门及启闭机可以继续安全使用。

龚庄子进水闸金属结构安全检测结果基本满足标准要求，虽然具有一定的质量缺陷，但是整座水闸依然能够正常安全地运行。此次检测成果可为确保进水闸安全运行提供科学依据。

参考文献

[1] 中国水利水电研究院.水工钢闸门和启闭机安全检测技术规：SL101-2014[S].北京：中国水利水电出版社，2014．

[2]杨光明，胡金义.水利水电工程金属结构腐蚀分析与研究[J].大坝与安全，2004（5）：76-79.

[3]胡庆华，汪魁峰，宗兆博，等.超声探伤仪在钢闸门安全检测中的应用[J].东北水利水电，2003（21）： 51-52.

[4]刘礼华，朱凼凼，曹定胜，等.黄坛口水电站溢流闸门材料检测和应力折减系数分析[J].大坝与安全，2002（3）：51-53.

[5] 中国水利水电研究院.水利水电工程钢闸门设计规范：SL74-2019.[S].北京：中国水利水电出版社，2019．

[6] 中国水利水电研究院.水利水电工程启闭机设计规范：SL41-2018.[S].北京：中国水利水电出版社，2018．

[7]李昱蓉，任海霞，李大伟.《水利水电工程钢闸门设计规范》修订探析[J].东北水利水电，2020，38（6）：55-58，68，72.

[8]谌菲.探索水利水电工程勘测设计行业信息化发展[J].珠江水运，2022（1）：39-40.

[9]王东林.水利水电工程防渗施工技术的探讨[J].四川水利，2021（S2）：33-35.

[10]符艳华.水利水电工程施工质量综合评定与激励系统研究[D].长沙：长沙理工大学，2020.